NOWA KONCEPCJA WZBUDZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO

NOWA KONCEPCJA WZBUDZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO

Zdzisław KRZEMIEŃ
NOWA KONCEPCJA WZBUDZENIA
ELEKTROMAGNETYCZNEGO BEZSZCZOTKOWEJ
MASZYNY SYNCHRONICZNEJ
STRESZCZENIE
Wzrastające ceny magnesów neodymowych
doprowadziły do sytuacji, że maszyny elektryczne ze wzbudzeniem magnetoelektrycznym stały się drogie. Celowym jest więc powrót do koncepcji
bezszczotkowych maszyn synchronicznych o wzbudzeniu elektromagnetycznym. W maszynach o mocy kilku kilowatów wzbudnica umieszczona na
wspólnym wale ma gabaryty porównywalne z maszyną główną co powoduje
znaczne powiększenie wymiarów zespołu. Zbadano możliwość zastosowania
jako wzbudnicy transformatora wirującego pracującego przy wysokiej
częstotliwości, którego gabaryty są niewielkie. Wykonano model maszyny,
wyniki przeprowadzonych badań wykazały poprawność działania układu.
Słowa kluczowe: maszyny synchroniczne, systemy wzbudzenia
1. WSTĘP
Maszyna synchroniczna to maszyna prądu przemiennego, w której częstotliwość
generowanego napięcia zależny od liczby par biegunów i prędkości obrotowej. Magnesowana (wzbudzana) jest ona strumieniem magnetycznym wywołanym prądem stałym
płynącym w uzwojeniu wzbudzenia lub magnesami trwałymi.
Typowa maszyna synchroniczna posiada uzwojenie twornika umieszczone
w stojanie oraz uzwojenie wzbudzenia umieszczone na wirniku, które może być zasilane
poprzez szczotki i pierścienie ślizgowe lub bezszczotkowo. Węzeł pierścienie – szczotki
stanowi słaby punkt układu bowiem ulega częstym uszkodzeniom, wymaga okresowych
przeglądów i dlatego nie projektuje się już nowych maszyn synchronicznych z takim
rozwiązaniem.
dr inż. Zdzisław KRZEMIEŃ
e-mail: [email protected]
Zakład Napędów Elektrycznych,
Instytut Elektrotechniki,
ul. M. Pożaryskiego 28, 04-703 Warszawa
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 268, 2015
32
Z. Krzemień
W najczęściej spotykanych rozwiązaniach bezszczotkowego wzbudzania maszyn
synchronicznych na wspólnym wale umieszczone jest uzwojenie wzbudzenia maszyny
synchronicznej oraz twornik wzbudnicy wraz z diodowym prostownikiem wirującym.
Wzbudnica posiada uzwojenie wzbudzenia (sterujące) zasilane prądem stałym umieszczone w stojanie. Wzbudnica pełni również rolę wzmacniacza elektromaszynowego
i moc wzbudzenia wzbudnicy (sterująca) ma stosunkowo niewielką wartość. Przykładowo: zaprojektowana w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku w Zakładzie Maszyn
Elektrycznych IEl bezszczotkowa prądnica synchroniczna typu GCe400M-12 o mocy
125 kVA w warunkach znamionowych miała moc wzbudzenia równą 2780 W, natomiast moc sterująca (wzbudzenia wzbudnicy) wynosiła tylko 280 W [1].
Rys. 1. Wzbudnica do prądnic typu GCe400 M-12 (na stojaku
badawczym) [1]
2. SYSTEMY WZBUDZENIA MASZYN
SYNCHRONICZNYCH
Zasadniczo można wyliczyć dwa systemy wzbudzenia maszyn synchronicznych
różniące się zasadą działania i sposobem wykonania: systemy szczotkowe wymagające
stosowania węzła szczotki – pierścienie ślizgowe oraz systemy bezszczotkowe.
2.1. Systemy szczotkowe
Systemy szczotkowe statyczne
W tych systemach energia potrzebna do wzbudzenia maszyny synchronicznej pobierana
jest z zacisków twornika maszyny poprzez odpowiednio ukształtowaną pętlę sprzężenia
zwrotnego.
Nowa koncepcja wzbudzenia elektromagnetycznego bezszczotkowej maszyny…
33
Istnieje wiele statycznych systemów wzbudzenia różniących się rozwiązaniami
konstrukcyjnymi, najczęściej spotykane to:
 układy bocznikowe zasilane równolegle z zacisków prądnicy poprzez prostownik
i regulator. Systemy takie są stosunkowo lekkie i mają niewielkie gabaryty.
Podstawową wadą takich rozwiązań jest zanikający do zera prąd zwarciowy
prądnicy co powoduje problemy w doborze zabezpieczeń i dlatego układy takie
są rzadko stosowane;
 układy kompaundacyjne zasilane w sposób szeregowo – równoległy z zacisków
prądnicy z wymuszeniem prądu wzbudzenia, który jest zależny od prądu
obciążenia prądnicy. Systemy takie mają dobre własności regulacyjne, wadą
ich jest duża masa i skomplikowana budowa.
Na rysunku 2 przedstawiono uproszczone schematy statycznych układów wzbudzenia prądnicy synchronicznej.
Uz
Up
R
Uz
Up
regulator
Z
G
obwód
sprzężenia
napięciowego
prądnica
a) układ bocznikowy
R
regulator
Z
G
obwód
kompaundacji
wzbudzenia
prądnica
b) układ kompaundacyjny
Rys. 2. Schematy statycznych układów wzbudzenia i stabilizacji
napięcia prądnicy synchronicznej. Up – napięcie prądnicy;
Uz – napięcie zadane
Systemy szczotkowe ze wzbudnicą:
Możemy wymienić następujące rozwiązania:
 układ wzbudzenia z komutatorową wzbudnicą prądu stałego montowaną
na końcu wału maszyn synchronicznej. Historycznie były one pierwszym źródłem
wzbudzenia maszyn synchronicznych jednak ze względu na problemy eksploatacyjne komutatorów nie są już stosowane;
 układ wzbudzenia z komutatorową wzbudnicą prądu stałego z napędem niezależnym;
 układ wzbudzenia ze wzbudnicą prądu przemiennego z wielofazowym uzwojeniem twornika umieszczonym na stojanie i statycznym prostownikiem diodowym lub tyrystorowym.
34
Z. Krzemień
2.1. Systemy bezszczotkowe
Spotykane są następujące rozwiązania:
 układ wzbudzenia ze wzbudnicą prądu przemiennego z wielofazowym uzwojeniem twornika umieszczonym w wirniku z wirującym prostownikiem diodowym, z uzwojeniem sterującym (wzbudzenia wzbudnicy) umieszczonym na
stojanie, uproszczony schemat takiego systemu przedstawiono na rysunku 3;
Uz
Up
Z
G
regulator
R
obwód
sprzężenia
napięciowego
Rys. 3. Schemat bezszczotkowego układu
wzbudzenia prądnicy synchronicznej ze
wzbudnicą prądu przemiennego i prostownikiem wirującym
W
prądnica
wzbudnica
wirnik
wzbudzenie
prądnicy
stojan
twornik prądnicy
wzbudzenie
wzbudnicy
twornik
wzbudnicy
Rys. 4. Układ wzbudzenia ze wzbudnicą prądu przemiennego umieszczoną we wspólnym obwodzie magnetycznym z prądnicą
 układ wzbudzenia ze wzbudnicą prądu przemiennego z wielofazowym uzwojeniem twornika umieszczonym w wirniku z wirującym prostownikiem diodowym oraz z podwzbudnicą wzbudzaną magnesami trwałymi umieszczonymi
w wirniku;
Nowa koncepcja wzbudzenia elektromagnetycznego bezszczotkowej maszyny…
35
 interesującym rozwiązaniem jest układ wzbudzenia ze wzbudnicą prądu
przemiennego umieszczoną we wspólnym obwodzie magnetycznym z prądnicą
(w żłobkach stojana umieszczone jest uzwojenie twornika prądnicy oraz uzwojenie sterujące (wzbudzenia wzbudnicy)). W żłobkach wirnika umieszczone
jest uzwojenie twornika wzbudnicy oraz uzwojenie wzbudzenia prądnicy. Ponadto
w wirniku umieszczony jest wirujący prostownik, rysunek 4. Prądnicę o takiej
konstrukcji zaprojektowano w roku 1979 w Zakładzie Maszyn Elektrycznych IEl
i przewidywana była do stosowania jako prądnica podwagonowa. Podstawową
wadą takiej konstrukcji były problemy z regulacją napięcia prądnicy oraz
znaczna zawartość harmonicznych w wyjściowym napięciu [2].
Powyższe rozwiązania wymagają stosowania prostownika wirującego, w którym
zazwyczaj instaluje się diody lecz znane są też konstrukcje z wykorzystaniem tyrystorów wirujących: np. prądnice typu GF wytwarzane na początku lat siedemdziesiątych
ubiegłego wieku przez firmę ASEA. Zastosowanie prostownika sterowanego poprawiało
dynamikę wzbudnicy w stanach przejściowych. Jednak ze względu na zawodność rozwiązania zaniechano ich produkcji. Również w tamtym czasie w Zakładzie Maszyn
Elektrycznych zbudowano model wzbudnicy tyrystorowej jednak ze względu na problemy regulacyjne prace przerwano, [3].
3. PRĄDNICE O WZBUDZENIU
MAGNETOELEKTRYCZNYM
Rozwój technologii wytwarzania materiałów magnetycznych opartych o metale
ziem rzadkich stworzył możliwość uzyskiwania dużych indukcji i w konsekwencji
budowy maszyn elektrycznych konkurencyjnych pod względem parametrów eksploatacyjnych w porównaniu z maszynami o wzbudzeniu elektromagnetycznym.
Prądnice te posiadają prostą konstrukcję (bez uzwojenia w wirniku, bez wzbudnicy i regulatora wzbudzenia) i dużą niezawodność. Mogą pracować praktycznie bezobsługowo. Sprawność ich jest większa niż „klasycznych” prądnic synchronicznych.
Do podstawowych wad należy zaliczyć: brak możliwości bezpośredniej regulacji napięcia
wyjściowego i jego stabilizacji przy zmiennym obciążeniu, możliwość rozmagnesowania się wirnika wskutek zwarcia uzwojenia twornika lub zbyt wysokiej temperatury,
występowanie momentu zaczepowego oraz cena magnesów.
Praktycznie światowy monopol Chin w produkcji magnesów neodymowych spowodował, że ich ceny w ostatnich latach szybko rosły. W chwili obecnej koszty magnesów
stanowią istotną część kosztów prądnicy (silnika).
W ostatnich latach w Zakładzie Maszyn Elektrycznych IEl zaprojektowano
i wykonano szereg maszyn o wzbudzeniu magnetoelektrycznym: i tak w wolnoobrotowej prądnicy 1 kW wykonanej w roku 2008 magnesy neodymowe stanowiły 11%
całkowitych kosztów, w silniku trakcyjnym 180 Nm wykonanym w roku 2011 udział
magnesów wynosił już 32%, w podobnym silniku wykonanym w roku 2013 udział ten
spadł do 22%, [4]. Wzrost cen magnesów może w przyszłości spowodować nieopłacalność
budowy maszyn wykorzystujących magnesy.
36
Z. Krzemień
Wzrastające koszty magnesów w budowie maszyn elektrycznych sprawiły, że celowy
jest powrót do koncepcji bezszczotkowych maszyn synchronicznych o wzbudzaniu
elektromagnetycznym: z klasycznym uzwojeniem wzbudzenia w wirniku.
Celem obniżenia kosztów przy projektowaniu należy przynajmniej na etapie
modelu użytkowego wykorzystać elementy konstrukcyjne standardowych silników indukcyjnych pierścieniowych i zainstalować urządzenie wzbudzające wewnątrz kadłuba
– w miejsce węzła szczotkotrzymacz – szczotki – pierścienie.
W oparciu o powyższe założenia w Zakładzie Maszyn Elektrycznych wykonano
projekt prądnicy synchronicznej opartej o elementy konstrukcyjne silnika indukcyjnego
pierścieniowego o mocy 5,5 kW i 2p = 4 [4].
W pierwszym etapie zbadano możliwość zastosowania jako wzbudnicy odwróconej
maszyny synchronicznej z wirującym prostownikiem. Przeprowadzone obliczenia projektowe wykazały jednak, że koncepcja taka jest niemożliwa do realizacji bowiem wzbudnica
nie zmieści się w przestrzeni zajmowanej uprzednio przez pierścienie i szczotki.
Należało więc rozważyć możliwość zastosowania innego urządzenia które zapewni
bezszczotkowość rozwiązania i będzie możliwe do wykonania.
4. TRANSFORMATORY WIRUJĄCE
Zasada działania transformatora wirującego jest taka sama co zwykłego transformatora, z tym że obwód magnetyczny jest podzielony na część ruchomą i nieruchomą,
a pomiędzy nimi występuje szczelina powietrzna [5, 6].
Zasadniczo możemy wyróżnić dwa typy konstrukcji transformatora wirującego:
w wykonaniu aksialnym (osiowym) i radialnym (promieniowym), rysunek 5.
Obwód magnetyczny z reguły wykonywany jest z ferrytu, a urządzenie zasilane
jest napięciem o dużej częstotliwości co sprawia, że gabaryty urządzenia są stosunkowo
niewielkie.
Moc przenoszona przez transformator wirujący jest opisana wzorem:
P    J  S  k uz  f  Bm  A
(1)
gdzie:
J
S
kuz
f
Bm
A
– gęstość prądu;
– powierzchnia uzwojenia;
– współczynnik zapełnienia uzwojenia;
– częstotliwość;
– maksymalna wartość indukcji;
– przekrój poprzeczny rdzenia wewnętrznego.
Powyższa zależność wskazuje, że moc przenoszona przez transformator wirujący jest zależna od geometrii obwodu magnetycznego, częstotliwości i indukcji.
Napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym, wirującym zależy od przekładni
uzwojeń transformatora.
Nowa koncepcja wzbudzenia elektromagnetycznego bezszczotkowej maszyny…
a)
37
b)
Rys. 5. Transformator wirujący w wykonaniu aksialnym
(a) i radialnym (b)
4.1. Zastosowanie transformatorów wirujących
Jednym z bardziej popularnych przykładów zastosowania transformatora wirującego jest głowica nagrywająco – odtwarzająca magnetowidu gdzie przenoszony sygnał
jest zapisany na taśmie. Moc przenoszona jest oczywiście znikoma.
Urządzenia takie stosuje się również w energetyce: w brazylijskim oddziale
firmy WEG zaprojektowano i wykonano dwustronnie zasilaną prądnicę indukcyjną
z trójfazowym transformatorem wirującym, który zastępuje węzeł szczotki-pierścienie
zwiększając niezawodność maszyny. Maszyna ma moc 90 kW i przewidywana jest
stosowania w siłowni wiatrowej [7].
Jak już wcześniej wspomniano w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku
w Zakładzie NME zaprojektowano i wykonano model wzbudnicy tyrystorowej do prądnicy
synchronicznej. Sterowanie tyrystorami odbywało się za pomocą cztero-uzwojeniowego
transformatora wirującego.
Nie znaleziono natomiast przykładów instalacji transformatorów wirujących
w układach wzbudzenia maszyn synchronicznych. Zastosowanie ich w takich systemach wydaje się więc rozwiązaniem nowatorskim.
W Zakładzie Napędów Elektrycznych w latach ubiegłych prowadzone były
prace związane z bezstykowym przesyłem energii. Transformator wirujący jest jednym
z możliwych rozwiązań takich systemów.
4.2. Transformator wirujący przeznaczony
do wzbudzania prądnicy synchronicznej
W oparciu o założenia dotyczące wymiarów i mocy transformowanej w Zakładzie
Napędów Elektrycznych zaprojektowano i wykonano transformator wirujący przeznaczony do instalacji wewnątrz kadłuba prądnicy synchronicznej. Konstrukcja urządzenia
jest tarczowa (radialna). Część nieruchoma transformatora przymocowana jest do tarczy
łożyskowej, część wirująca zainstalowana jest na wale. Szczelina powietrzna pomiędzy
38
Z. Krzemień
częścią nieruchomą (uzwojenie pierwotne) i częścią wirującą (uzwojenie wtórne)
wynosi 2 mm, całkowita długość urządzenia 64 mm wobec ok. 150 mm długości
obliczonej wzbudnicy (odwróconej prądnicy synchronicznej). Moc transformowana
wynosi 200 W.
Uzwojenie pierwotne (nieruchome) transformatora podłączone jest do zasilacza
energoelektronicznego generującego na wyjściu napięcie o wysokiej częstotliwości
(45 kHz) i regulowanej amplitudzie. Na rysunku poniżej przedstawiono uproszczony
schemat systemu wzbudzenia maszyny synchronicznej przy pomocy transformatora
wirującego, a na rysunku 7 przedstawiono fotografię elementów konstrukcyjnych transformatora zainstalowanych w maszynie synchronicznej.
Uz
Up
Z
R
regulator
Rys. 6. Schemat układu wzbudzenia
prądnicy synchronicznej z transformatorem wirującym
zasilacz
G
prądnica
transformator
wirujący
część nieruchoma
część wirująca
Rys. 7. Widok transformatora zainstalowanego w prądnicy
Nowa koncepcja wzbudzenia elektromagnetycznego bezszczotkowej maszyny…
39
5. PODSUMOWANIE
Wyniki badań wykazują, że maszyna synchroniczna wzbudzana poprzez
transformator wirujący i zasilacz charakteryzuje się dobrymi własnościami eksploatacyjnymi zarówno przy pracy prądnicowej przy obciążeniu rezystancyjnym i na sieć jak
i przy pracy silnikowej [8].
System wzbudzenia maszyny synchronicznej przy pomocy transformatora
wirującego należy uznać za rozwiązanie obiecujące. Konstrukcje szczotkowe maszyn
synchronicznych praktycznie wychodzą z użycia, zastosowanie wzbudnicy (odwróconej
prądnicy synchronicznej z prostownikiem wirującym) maszynach o małej lub średniej
mocy jest kłopotliwe ze względu na wymiary wzbudnicy, które są często porównywalne
z wymiarami maszyny głównej. Natomiast gabaryty transformatora wirującego są znacznie
mniejsze. Koszty wykonania transformatora wirującego są niewielkie, znacznie niższe
od kosztów magnesów (oczywiście do układu wzbudzenia należy doliczyć koszt zasilacza i regulatora).
Stosowany do badań zasilacz transformatora wirującego wymaga zasilania z sieci.
Przewidywane zastosowania prądnic w małych elektrowniach współpracujących z odnawialnymi źródłami energii lub w zespołach spalinowo elektrycznych wymagają pracy
autonomicznej bez konieczności współpracy z siecią. Konieczne jest więc opracowanie
takiego zasilacza aby mógł on samodzielnie zasilać układ wzbudzający prądnicę pobierając potrzebną energię z zacisków prądnicy a proces wzbudzenia może zainicjowany
poprzez zastosowanie odpowiedniej baterii.
Wadą transformatorowego systemu wzbudzenia maszyn synchronicznych jest
konieczność transformowania pełnej mocy wzbudzenia – transformator nie jest wzmacniaczem elektromaszynowym jak to jest w przypadku klasycznej wzbudnicy synchronicznej. Powiększa to gabaryty zasilacza i regulatora.
Na rynku brak jest synchronicznych prądnic bezszczotkowych o mocy rzędu
kilowatów i o wzbudzeniu elektromagnetycznym, które zapewnia sztywność napięcia
wyjściowego, zaprojektowana prądnica ze wzbudzeniem przy pomocy transformatora
wirującego z powodzeniem może zapełnić tę lukę.
LITERATURA
1. Krzemień Z.: Sprawozdanie z badań modelowych prądnic synchronicznych typu GCe 355L-12
i GCe 400M-12 przeznaczonych dla MEW. Dokumentacja IEl , nr arch. 37/1989.
2. Kibler W., Bachan S., Krzemień Z.: Projekt wstępny modelu prądnicy wagonowej,
bezszczotkowej ze wzbudnicą we wspólnym obwodzie magnetycznym. Dokumentacja IEl,
nr arch. 65/1979.
3. Krzemień Z: Koncepcja, obliczenie i zaprojektowanie wzbudnicy przekształtnikowej
z wirującym układem tyrystorowym. Dokumentacja IEl, 1980.
4. Krzemień Z.: Nowa koncepcja bezszczotkowej prądnicy synchronicznej ze wzbudzeniem
elektromagnetycznym Dokumentacja IEl, nr arch. 12/2013.
40
Z. Krzemień
5. Smeets J., Encica L., Lomonova E.: Comparison of winding topologies in a pot core rotating
transformer. Proceedings of the 12th International Conference on Optimization of Electrical
and Electronic Equipment, s. 103-110, maj 2010.
6. Smeets J., Krop D., Jansen W.: Optimal design of a pot core rotating transformer.
Proceedings of the IEEE Energy Conversation Congress and Exposition, s. 4390-4397,
wrzesień 2010.
7. Runcos F. i inni: Analysis and test results of a brushless doubly fed induction machine with
rotary transformer. WEG Brazil,Technical Notes, październik 2012.
8. Krzemień Z.: Badania prototypowej maszyny synchronicznej z transformatorem wirującym.
Dokumentacja IEl, nr arch. 19/2014.
Rękopis dostarczono dnia 11.02.2015 r.
NEW CONCEPTION OF ELECTROMAGNETIC
EXCITATION BRUSHLESS SYNCHRONOUS MACHINE
Zdzisław KRZEMIEŃ
ABSTRACT
Increase of prices of neodymium magnets cause that
machines with magnetoeletric excitation become expensive. Therefore it is
appropriate to return to the electromagnetic conception of the brushless
excitation of synchronous machines. In the machines of the power of about
several kilowatts, exciter placed on common shaft with the main machine
has dimension comparable with the size of this main machine. It causes the
considerable increase of the unit dimensions.
The possibility to apply as an exciter a rotary transformer working with
high frequency was tested. Small dimensions are an important advantage of
this transformer. A device prototype has been made. Testing results confirm
the correctness of the system operation.
Keywords: synchronous machines, excitation systems
Dr inż. Zdzisław KRZEMIEŃ w latach 1975 – 2014 był
pracownikiem Zakładu Maszyn Elektrycznych IEl, obecnie zatrudniony
jest na stanowisku adiunkta w Zakładzie Napędów Elektrycznych.
Zajmuje się problematyką maszyn elektrycznych przeznaczonych
do współpracy z odnawialnymi źródłami energii.